基于PDMA的5G NR低功耗大連接免調(diào)度算法

趙琛

（北京北方烽火科技有限公司北京100085）

無線通信的不斷發(fā)展使得頻譜成為稀缺資源，另外移動物聯(lián)網(wǎng)對海量連接的需求日益迫切。近年，多種非正交多址技術(shù)被提出和深入研究，以便解決上述兩個問題。與OMA（正交多址技術(shù)）不同，NOMA（非正交多址）在相同的時頻資源上承載多個UE的數(shù)據(jù)[1]，并且彼此不是正交的，這樣基站和多個UE之間形成了共享信道[2-3]，根據(jù)香農(nóng)公式，這種技術(shù)能夠帶來容量和頻譜效率的提升。但是因為多個UE的信號非正交地疊加在一起，檢測發(fā)射信號的難度增加，需要利用SIC（串行干擾消除）接收機[4]。由于非線性器件的技術(shù)發(fā)展迅速，可以通過提高接收機復(fù)雜度換取信道容量的提升，逼近香農(nóng)極限[5]。目前國內(nèi)的非正交多址的具體方案包括：

1）SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏碼分多址接入），是一種多個UE的信號在碼域疊加的非正交多址接入技術(shù)[6]。

2）MUSA（Multi-User Shared Access，多用戶共享接入），被視為CDMA的改進方案。

3）PDMA（Pattern Division Multiple Access，圖樣分割多址接入）。這種方案對發(fā)射端和接收端進行聯(lián)合優(yōu)化[7-8]。在發(fā)送端，對多個用戶信號進行功率域、空域、碼域聯(lián)合編碼；在接收端，采用SIC進行多用戶檢測[9]，通?？紤]性能較優(yōu)的BP-IDD（置信傳播迭代譯碼，Belief Propagation Iterative Dection and Decoding）接收機[10]，從而最大限度地優(yōu)化整體性能[11-12]。

1　PDMA

PDMA的核心是根據(jù)PDMA圖樣將發(fā)送數(shù)據(jù)映射到同一組資源上，以便實現(xiàn)有差別的發(fā)射分集度[13]，從而降低接收機復(fù)雜度。PDMA圖樣矩陣定義了從發(fā)射數(shù)據(jù)到一個資源組的映射，映射到一個組中的資源數(shù)量決定了發(fā)射分集度。多個用戶的數(shù)據(jù)可以按照不同的PDMA圖樣復(fù)用到同一個資源組中，實現(xiàn)非正交發(fā)射。

圖1　PDMA發(fā)送端到接收端系統(tǒng)框圖

PDMA系統(tǒng)框圖如圖1所示，在發(fā)送端將調(diào)制符號xk映射到資源上，并產(chǎn)生一個調(diào)制向量vk。一個資源組中K個用戶的數(shù)據(jù)使用不同的PDMA調(diào)制向量vk，通過將該用戶的調(diào)制符號xk按照PDMA圖樣延拓來獲得，見式（1）。

其中g(shù)k是一個N×1的二進制向量。K個用戶在N個RE上的PDMA圖樣組成一個N×K維的PDMA圖樣矩陣見式（2）。

基站的接收信號y可以表示（3）式的形式。

其中n表示接收機的噪聲和干擾，hk表示第k個用戶的上行信道相應(yīng)向量。記信道相應(yīng)矩陣HCH=[h1,h2,...,hK]，發(fā)射信號x=[x1,x2,...,xK]Γ。則（3）式可以改寫為（4）式的形式。

定義OF（過載因子，Overload Factor）=K/N，反映了PDMA相對于OMA的復(fù)用倍數(shù)（OMA的N=K）。當(dāng)N=3，K=5時，OF≈ 167%。

接收信號展開式如（5）式所示。

MMSE-SIC非線性接收機根據(jù)SINR順序進行信號重建、譯碼等過程[14-15]。

2　MAC層免授權(quán)資源分配

免授權(quán)傳輸不需要基站授權(quán)，UE每次傳輸不再根據(jù)UL-grant來指示，并非完全不對UE的資源做任何限制，有兩種方式：

1）半靜態(tài)調(diào)度：基站以層3信令方式，半靜態(tài)地指示UE在上行傳輸中應(yīng)當(dāng)使用的資源，在收到一個新的資源分配信令以前，一直使用信令中指示的時域、頻域和PDMA圖樣資源。

2）SSC指示：根據(jù)給定的OF，基站在免調(diào)度資源池中的PDMA圖樣資源中查找SSC（Sum Squared Correlation，相關(guān)值平方和，定義見式（6））最小的PDMA圖樣，將其索引發(fā)送給UE[16]。

2.1　上行資源分配

為UE分配上行無線資源時，由于半靜態(tài)資源分配的生效時間較長，對某一個UE來說，時域上呈現(xiàn)傳輸機會的周期性。為不同UE動態(tài)分配頻域上帶寬不同、時域上周期不同的資源。

2.1.1　頻域資源分配

根據(jù)PDMA的實現(xiàn)原理，對于N×K的PDMA圖樣矩陣，某個UE待發(fā)射的某一符號需要映射到N個RE上，為適應(yīng)PDMA，把N個PRB捆綁成一個RBG，作為資源分配粒度。

2.1.2　PDMA圖樣分配

一個PDMA圖樣矩陣中，不同的圖樣按照分集度可以分為若干組，為距離基站較遠的UE分配分集度較高的PDMA圖樣，為距離基站較近的UE分配分集度較低的PDMA圖樣。

假設(shè)一個PDMA圖樣矩陣中的分集度共有NDO種，按升序排列為d1,d2,...,dNDO，然后設(shè)定NDO-1個RSRP門限，即RSRP1,RSRP2,...,RSRPNDO-1，UE上報的RSRP高于RSRP1時，為其分配分集度為d1的圖樣；UE上報的RSRP位于RSRPi-1和RSRPi之間時，為其分配分集度為di的圖樣；UE上報的RSPP低于RSRPNDO-1時，為其分配分集度為的圖樣。

2.1.3　時域資源分配

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下，單個UE的傳輸速率往往并不高，不需要很小的上行發(fā)送周期，免授權(quán)調(diào)度時，為每個UE設(shè)定一個周期，每個周期進行一次上行子幀進行傳輸。并且應(yīng)根據(jù)UE速率需求為其分配不同的傳輸周期。

為滿足在同一資源單元（時/頻域、PDMA圖樣3個維度）上復(fù)用多個UE，以及支持不同的UE不同周期的上行發(fā)送，同一資源單元需要在時域上分裂成以不同周期發(fā)送的子幀組成的集合。規(guī)定以2的整數(shù)次冪進行分裂，即2P，則分裂出的上行發(fā)射周期為個子幀。

圖2為D:U為3:1情況下一種分裂的情況的樹形結(jié)構(gòu)，虛線框為非葉結(jié)點，表示已經(jīng)被分裂的、無法再被整體分配的資源。葉結(jié)點分兩種，黃色框表示已經(jīng)分配給UE的資源、藍色框表示上位被分配的資源，可直接被分配或者繼續(xù)被分裂。每個框中的第一個數(shù)字表示，第二個數(shù)字q表示該資源的子幀號滿足式（7）。

以3個UE為例，時域的分配方案為：

UE2上行發(fā)射周期為40個子幀，子幀號滿足：

UE3上行發(fā)射周期為40個子幀，子幀號滿足：

尚有下列時域資源處于可被分配狀態(tài)：

圖3　UE發(fā)射周期與偏移示意圖

圖3中黃色區(qū)域是UE1、UE2和UE3在時域上各自的發(fā)射周期和偏移的表示。

2.2　上行免授權(quán)傳輸過程

為保證每次隨機接入能夠有資源動態(tài)地分配給Msg3，可先對Msg3使用的時頻資源做半靜態(tài)預(yù)留。發(fā)送Msg3使用的PRB、MCS、功率調(diào)整由RAR的UL-grant指示?；境晒邮誐sg3后，根據(jù)接收功率決定其將要進行的上行免授權(quán)傳輸?shù)姆旨群蚆CS，根據(jù)UE的業(yè)務(wù)對上行傳輸?shù)乃俾市枨?，以及時域傳輸周期的P值。并在免授權(quán)資源池中為其分配資源、確定子幀偏移。

UE本次發(fā)起的隨機接入和上行傳輸過程結(jié)束后，要根據(jù)頻域、PDMA圖樣索引、時域傳輸周期以及在周期內(nèi)的子幀偏移參數(shù)回收上述資源，回收后上述資源可重新利用，該UE的上行免授權(quán)傳輸也隨即結(jié)束。

3　結(jié)束語

文中針對低功耗大連接的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)進行分析和研究，提出了一種新的時域資源分配方式，上行傳輸采用免授權(quán)調(diào)度方式的改進進行了分析，包括資源半靜態(tài)劃分、傳輸過程、免授權(quán)調(diào)度碰撞解決，為針對低功耗大連接場景免授權(quán)調(diào)度的設(shè)計和仿真工作提供必要的基礎(chǔ)。